JP2014215375A - レプリカ回折格子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より耐久性が高いレプリカ回折格子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】レプリカ基板２０１の表面に接着剤層を介して形成された金属薄膜１０６を備えたレプリカ回折格子２００において、前記接着剤層を永久レジスト２０２により構成する（図２（ｅ）参照）。耐熱性及び耐環境性が高い永久レジスト２０２をレプリカ基板２０１の表面と金属薄膜１０６との間に介在させることで、より耐久性が高いレプリカ回折格子２００を提供することができる。また、永久レジスト２０２を露光することにより、短時間で硬化させることができるため、レプリカ回折格子２００の製作時間を短縮することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、基板表面に金属薄膜が形成された回折格子に関し、特に、マスター回折格子からレプリカ基板に金属薄膜を転写させることにより形成されるレプリカ回折格子及びその製造方法に関するものである。

回折格子を量産する際などに、マスター回折格子を製作し、当該マスター回折格子を用いてレプリカ回折格子を製作する方法が一般的に知られている（例えば、下記特許文献１及び２参照）。

マスター回折格子を製作する際には、まず、マスター回折格子の本体となるマスター基板の基板表面にフォトレジスト層を形成し、当該フォトレジスト層を露光することにより表面にレジストパターンを形成する。そして、当該レジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことにより、基板表面にブレーズ状（鋸歯状）の格子溝を有する格子パターンを形成する。その後、格子パターン上に金属薄膜を成膜することにより、当該金属薄膜により格子面が形成されたマスター回折格子を製作することができる。

上記のようにして製作されたマスター回折格子を用いてレプリカ回折格子を製作する際には、まず、マスター回折格子における金属薄膜の表面（格子面）に離型剤層を形成し、当該離型剤層上に金属薄膜を成膜する。そして、レプリカ回折格子の本体となるレプリカ基板の表面に熱硬化型エポキシ樹脂などの接着剤を塗布し、当該接着剤を介して、レプリカ基板をマスター回折格子の表面に形成された金属薄膜に接着する。

その後、離型剤層において剥離させることにより、離型剤層上の金属薄膜をマスター基板からレプリカ基板に転写させ、レプリカ回折格子を製作することができる。続けてレプリカ回折格子を製作する場合には、マスター回折格子の表面に離型剤層を再度形成し、当該離型剤層上に金属薄膜を成膜した後、上記と同様の作業を行うこととなる。

特開平７−２６１０１０号公報 特開２００６−９８４２８号公報

レプリカ回折格子は、より耐久性が高い構成であることが好ましい。例えば、ハイパワーレーザ装置内にレプリカ回折格子を組み込んだ場合などには、当該回折格子の表面温度が上昇しやすいため、特に耐熱性が要求されることとなる。

このように、高温環境下で使用されるレプリカ回折格子においては、接着剤として使用される熱硬化型エポキシ樹脂のガラス転移点が低いことなどに起因して、格子面の面粗さが悪化しやすく、性能が低下しやすいという問題がある。また、レプリカ回折格子を製作する際には、熱硬化型エポキシ樹脂などの接着剤が硬化するのに時間がかかるため、製作時間が長くなるという問題もある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、より耐久性が高いレプリカ回折格子及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、製作時間を短縮することができるレプリカ回折格子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレプリカ回折格子は、レプリカ基板の基板表面に接着剤層を介して形成された金属薄膜を備えたレプリカ回折格子であって、前記接着剤層が永久レジストであることを特徴とする。

このような構成によれば、レプリカ基板の基板表面に永久レジストを介して金属薄膜が形成されたレプリカ回折格子を提供することができる。永久レジストは、耐熱性及び耐環境性が高く、例えば光硬化樹脂を含む構成である。そのため、基板表面と金属薄膜との間に永久レジストを介在させることで、より耐久性が高いレプリカ回折格子を提供することができる。また、永久レジストを露光することにより、短時間で硬化させることができるため、レプリカ回折格子の製作時間を短縮することができる。

この場合、熱膨張係数が小さい材料により基板が形成されていれば、耐熱性が高い材料のみを用いてレプリカ回折格子を構成することができるため、耐熱性に優れたレプリカ回折格子を提供することができる。前記基板は、例えば石英ガラスよりも熱膨張係数が小さい材料により形成されていることが好ましい。

本発明に係るレプリカ回折格子の製造方法は、前記レプリカ回折格子の製造方法であって、前記レプリカ基板の基板表面に永久レジストを接着剤として塗布した後、当該永久レジストを介して、マスター回折格子から前記レプリカ基板に金属薄膜を転写させることにより、前記基板表面と前記金属薄膜との間に、永久レジストを介在させることを特徴とする。

このような構成によれば、レプリカ基板の基板表面に永久レジストを介して金属薄膜が形成されたレプリカ回折格子を製作することができる。従来のレプリカ回折格子では、レプリカ基板の基板表面と金属薄膜との間に熱硬化型エポキシ樹脂などの接着剤を介在させるのが一般的であり、耐熱性及び耐環境性が低いレジストを介在させることはなかったが、本発明のように耐熱性及び耐環境性が高い永久レジストであれば、レプリカ基板の基板表面と金属薄膜との間に介在させることにより、特有の効果を奏することができる。

すなわち、耐熱性及び耐環境性が高い永久レジストをレプリカ基板の基板表面と金属薄膜との間に介在させることで、より耐久性が高いレプリカ回折格子を提供することができる。また、レプリカ基板の基板表面に接着剤として塗布した永久レジストを露光することにより、短時間で硬化させて接着させることができるため、レプリカ回折格子の製作時間を短縮することができる。

前記マスター回折格子の表面に離型剤層を介して形成された金属薄膜に対して、前記レプリカ基板の基板表面に塗布された永久レジストを密着させ、当該永久レジストを硬化させた後、前記離型剤層において剥離させて、前記マスター回折格子から前記レプリカ基板に前記金属薄膜を転写させてもよい。

このような構成によれば、レプリカ基板の基板表面に塗布された永久レジストをマスター基板側の金属薄膜に密着させ、当該永久レジストを硬化させることにより、レプリカ基板の基板表面と金属薄膜とを接着させることができる。その後、離型剤層において剥離させることにより、マスター回折格子からレプリカ基板に金属薄膜を転写させ、レプリカ基板の基板表面に永久レジストを介して金属薄膜が形成されたレプリカ回折格子を製作することができる。

この場合、前記マスター回折格子の表面に離型剤層を介して形成された金属薄膜は、アルミニウムからなるものであってもよい。

前記マスター回折格子の表面に形成された剥離性を有する金属薄膜に対して、前記レプリカ基板の基板表面に塗布された永久レジストを密着させ、当該永久レジストを硬化させた後、前記金属薄膜の表面において剥離させて、前記マスター回折格子から前記レプリカ基板に前記金属薄膜を転写させてもよい。

このような構成によれば、レプリカ基板の基板表面に塗布された永久レジストをマスター回折格子側の金属薄膜に密着させ、当該永久レジストを硬化させることにより、レプリカ基板の基板表面と金属薄膜とを接着させることができる。金属薄膜が剥離性を有しているため、その後、金属薄膜の表面において剥離させることにより、マスター回折格子からレプリカ基板に金属薄膜を転写させ、レプリカ基板の基板表面に永久レジストを介して金属薄膜が形成されたレプリカ回折格子を製作することができる。

この場合、前記マスター回折格子の表面に形成された剥離性を有する金属薄膜は、金からなるものであってもよい。

前記マスター回折格子は、マスター基板の基板表面に永久レジストを介して金属薄膜が形成されることにより構成されていてもよい。

このような構成によれば、マスター基板の基板表面と金属薄膜との間に永久レジストを介在させたマスター回折格子を用いて、マスター回折格子と同様の構成を有するレプリカ回折格子を製作することができる。すなわち、マスター回折格子とレプリカ回折格子との区別なく、回折格子を量産することができるため、生産性が向上する。

前記レプリカ基板の両面が光沢面により形成されていてもよい。この場合、一方の基板表面と前記金属薄膜との間に、永久レジストを介在させてもよい。

このような構成によれば、レプリカ基板に光を透過させて永久レジストを硬化させる場合に、レプリカ基板の両面が光沢面により形成されているため、光の散乱を防止することができ、永久レジストを良好に硬化させることができる。これにより、永久レジストを短時間で硬化させることができるため、レプリカ回折格子の製作時間を短縮することができる。

本発明によれば、耐熱性及び耐環境性が高い永久レジストをレプリカ基板の基板表面と金属薄膜との間に介在させることで、より耐久性が高いレプリカ回折格子を提供することができる。また、本発明によれば、永久レジストを露光することにより、短時間で硬化させることができるため、レプリカ回折格子の製作時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態に係るレプリカ回折格子を製造する際に用いられるマスター回折格子の製作工程を段階的に示した概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るレプリカ回折格子の製作工程を段階的に示した概略断面図である。 別の実施形態に係るレプリカ回折格子の製作工程を段階的に示した概略断面図である。

以下では、マスター回折格子及びレプリカ回折格子の製作工程の一例について説明する。マスター回折格子は、回折格子を量産する際などに母型として用いられるものであり、当該マスター回折格子を用いて複数のレプリカ回折格子を製作することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るレプリカ回折格子を製造する際に用いられるマスター回折格子１００の製作工程を段階的に示した概略断面図である。マスター回折格子１００を製作する際には、まず、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、マスター基板１０１の基板表面にフォトレジスト層１０２が形成される。マスター基板１０１としては、例えばソーダガラス又は石英ガラスなどからなるガラス基板を用いることができる。

ただし、マスター基板１０１は、上記材料により形成された構成に限らず、例えば石英ガラスよりも熱膨張係数が小さい材料により形成されていてもよい。この場合、マスター基板１０１は、例えばゼロデュア（ＳＣＨＯＴＴ社製：「ＺＥＲＯＤＵＲ」は登録商標）などにより形成することができ、耐熱性が必要となるレプリカ回折格子のレプリカ基板と同一の材料で形成することも可能である。

マスター基板１０１の基板表面に形成されたフォトレジスト層１０２は、例えばホログラフィック露光法などを用いて露光されることにより、図１（ｃ）に示すように、その表面にレジストパターンが形成される。その後、当該レジストパターンが形成された表面にエッチングが施されることにより、図１（ｄ）に示すように、基板表面に格子溝を有する格子パターン１０３が形成される。

エッチングの方法としては、例えばイオンビームエッチングを例示することができる。レジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことにより、図１（ｄ）に示すように、マスター基板１０１の基板表面にブレーズ状（鋸歯状）の格子溝を形成することができる。

次の工程では、図１（ｅ）に示すように、格子パターン１０３上に永久レジスト層１１０が形成される。永久レジスト層１１０は、永久レジストをマスター基板１０１の基板表面（格子パターン１０３上）に薄く塗布することにより形成することができる。永久レジストは、例えば光硬化樹脂を含む材料からなる光硬化レジストであり、耐熱性及び耐環境性が高いという特性を有しているため、一般的に半導体の基板実装などに用いられている。永久レジストとしては、例えばＭＩＣＲＯＣＨＥＭ社製の「ＳＵ−８ ３０００」を使用することができるが、これに限られるものではない。

その後、永久レジスト層１１０上に金属薄膜１０４を形成することにより、格子パターン１０３全体が金属薄膜１０４で覆われ、当該金属薄膜１０４の表面に格子面が形成される。金属薄膜１０４は、例えばアルミニウム、金又は白金などにより格子パターン１０３上に成膜することができる。

上記のような製作工程により、レプリカ回折格子のレプリカ基板に金属薄膜を転写させるためのマスター基板１０１を有するマスター回折格子１００を製作することができる。製作されたマスター回折格子１００は、図１（ｆ）に示すように、マスター基板１０１の基板表面と金属薄膜１０４との間に、永久レジスト（永久レジスト層１１０）を介在させた構成となっている。

図２は、本発明の一実施形態に係るレプリカ回折格子２００の製作工程を段階的に示した概略断面図である。レプリカ回折格子２００は、上述のようなマスター回折格子１００を用いて製作される。ここでは、図１のマスター回折格子１００を用いてレプリカ回折格子２００を製作する場合の製作工程の一例について説明するが、レプリカ回折格子２００を製作する際のマスター回折格子の構成は、図１に例示されるようなマスター回折格子１００に限られるものではない。

本実施形態では、レプリカ回折格子２００を製作する際に、まず、図２（ａ）に示すように、マスター回折格子１００の表面（格子面）に離型剤層１０５が形成される。離型剤層１０５は、例えばシリコングリースなどにより形成することができるが、これに限らず、他の各種材料を離型剤として用いることができる。

その後、図２（ｂ）に示すように、離型剤層１０５上に金属薄膜１０６を形成することにより、離型剤層１０５全体が金属薄膜１０６で覆われた状態となる。金属薄膜１０６は、例えばアルミニウムなどにより離型剤層１０５上に成膜することができる。

一方で、マスター回折格子１００から金属薄膜１０６を転写させるためのレプリカ基板２０１の基板表面には、図２（ｃ）に示すように、永久レジスト２０２が接着剤として薄く塗布される。そして、図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、マスター回折格子１００の表面に離型剤層１０５を介して形成された金属薄膜１０６に対して、永久レジスト２０２を密着させ、当該永久レジスト２０２を硬化させる。

ここで、レプリカ基板２０１は、例えばゼロデュア（ＳＣＨＯＴＴ社製：「ＺＥＲＯＤＵＲ」は登録商標）などにより形成することができる。このように、レプリカ基板２０１は、熱膨張係数が小さい材料により形成されていることが好ましく、石英ガラスよりも熱膨張係数が小さい材料により形成されていればさらに好ましい。ただし、レプリカ基板２０１は、上記材料により形成された構成に限らず、他の各種材料により形成することができる。

永久レジスト２０２を硬化させる際には、例えば図２（ｄ）に白抜き矢印で示すように、レプリカ基板２０１における永久レジスト２０２側とは反対側から光が照射される。これにより、レプリカ基板２０１を介して永久レジスト２０２を露光し、硬化させることができる。永久レジスト２０２を硬化させることにより、レプリカ基板２０１の基板表面と金属薄膜１０６とを接着させることができる。

永久レジスト２０２を硬化させる際には、露光だけでなく、ベイク工程を組み合わせて行うことも可能である。例えば図２（ｄ）に示すような状態において、６５℃で１０分と、９５℃で３０分のソフトベイクを恒温槽で行った後、所定の条件（例えば、波長３６５ｎｍ、露光量２５０ｍＪ／ｃｍ^２）で露光を行うことができる。そして、露光後に、６５℃で３分と、９５℃で１０分のポストベイクを恒温槽で行い、自然放置して徐々に冷却することにより、永久レジスト２０２を良好に硬化させることができる。ただし、耐久性を重視する場合には、ポストベイクの後に、例えば１５０℃で３０分のハードベイクを行うことも可能である。

永久レジスト２０２を硬化させた後は、図２（ｅ）に示すように、離型剤層１０５において剥離させることにより、マスター回折格子１００からレプリカ基板２０１に金属薄膜１０６を転写させることができる。このように、本実施形態では、永久レジスト２０２を介して、マスター回折格子１００からレプリカ基板２０１に金属薄膜１０６を転写させ、レプリカ回折格子２００を製作することができる。マスター回折格子１００側及びレプリカ回折格子２００側にそれぞれ残った離型剤は、洗浄などを行うことにより容易に除去することができる。

製作されたレプリカ回折格子２００は、図２（ｅ）に示すように、レプリカ基板２０１の基板表面と金属薄膜１０６との間に、永久レジスト２０２を介在させた構成となっている。永久レジスト２０２は、耐熱性及び耐環境性が高いという特性を有しているため、レプリカ基板２０１の基板表面と金属薄膜１０６との間に永久レジスト２０２を介在させることで、より耐久性が高いレプリカ回折格子２００を提供することができる。また、永久レジスト２０２を露光することにより、短時間で硬化させることができるため、レプリカ回折格子２００の製作時間を短縮することができる。

従来のレプリカ回折格子では、レプリカ基板の基板表面と金属薄膜との間に熱硬化型エポキシ樹脂などの接着剤を介在させるのが一般的であり、耐熱性及び耐環境性が低いレジストを介在させることはなかったが、本実施形態のように耐熱性及び耐環境性が高い永久レジスト２０２であれば、レプリカ基板２０１の基板表面と金属薄膜１０６との間に介在させることにより、上記のような特有の効果を奏することができる。

また、レプリカ回折格子２００におけるレプリカ基板２０１の基板表面と金属薄膜１０６との間に永久レジスト２０２を介在させるような構成とすることにより、マスター基板１０１の基板表面と金属薄膜１０４との間に永久レジスト（永久レジスト層１１０）を介在させたマスター回折格子１００を用いて、マスター回折格子１００と同様の構成を有するレプリカ回折格子２００を製作することができる。すなわち、マスター回折格子１００とレプリカ回折格子２００との区別なく、回折格子を量産することができるため、生産性が向上する。

本実施形態では、レプリカ基板２０１の両面が、例えば研磨などを施すことで光沢面により形成されている。そして、光沢面により形成されたレプリカ基板２０１の両面のうち、一方の基板表面と金属薄膜１０６との間に永久レジスト２０２が介在するように、レプリカ回折格子２００が製作されている。

したがって、レプリカ基板２０１に光を透過させて永久レジスト２０２を硬化させる場合に、レプリカ基板２０１の両面が光沢面により形成されているため、光の散乱を防止することができ、永久レジスト２０２を良好に硬化させることができる。これにより、永久レジスト２０２を短時間で硬化させることができるため、レプリカ回折格子２００の製作時間を短縮することができる。なお、本実施形態では、レプリカ基板２０１の両面を光沢面により形成する場合について説明したが、同様に、マスター基板１０１の両面を光沢面により形成することも可能である。

図３は、別の実施形態に係るレプリカ回折格子２１０の製作工程を段階的に示した概略断面図である。この図３の例においても、図１のマスター回折格子１００を用いてレプリカ回折格子２１０を製作する場合の製作工程の一例について説明するが、これに限らず、他の各種マスター回折格子を用いてレプリカ回折格子２１０を製作することが可能である。

本実施形態では、レプリカ回折格子２１０を製作する際に、まず、図３（ａ）に示すように、マスター回折格子１００の表面（格子面）に剥離性を有する金属薄膜１０７が形成される。剥離性を有する金属薄膜１０７は、例えば金などによりマスター回折格子１００の表面に成膜することができる。

一方で、マスター回折格子１００から金属薄膜１０７を転写させるためのレプリカ基板２１１の基板表面には、図３（ｂ）に示すように、永久レジスト２１２が接着剤として薄く塗布される。そして、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、マスター回折格子１００の表面に形成された金属薄膜１０７に対して、永久レジスト２１２を密着させ、当該永久レジスト２１２を硬化させる。レプリカ基板２１１は、図２の場合と同様に、各種材料により形成することができ、その両面が光沢面により形成されていることが好ましい。

永久レジスト２１２を硬化させる際には、例えば図３（ｃ）に白抜き矢印で示すように、レプリカ基板２１１における永久レジスト２１２側とは反対側から光が照射される。これにより、レプリカ基板２１１を介して永久レジスト２１２を露光し、硬化させることができる。永久レジスト２１２を硬化させることにより、レプリカ基板２１１の基板表面と金属薄膜１０７とを接着させることができる。永久レジスト２１２は、図２の場合と同様に、各種態様で硬化させることができる。

永久レジスト２１２を硬化させた後は、図３（ｄ）に示すように、金属薄膜１０７の表面において剥離させることにより、マスター回折格子１００からレプリカ基板２１１に金属薄膜１０７を転写させることができる。このように、本実施形態では、永久レジスト２１２を介して、マスター回折格子１００からレプリカ基板２１１に金属薄膜１０７を転写させ、レプリカ回折格子２１０を製作することができる。

製作されたレプリカ回折格子２１０は、図３（ｄ）に示すように、レプリカ基板２１１の基板表面と金属薄膜１０７との間に、永久レジスト２１２を介在させた構成となっている。このようなレプリカ回折格子２１０によれば、図２の場合と同様の特有の効果を奏することができる。

なお、本実施形態における金属薄膜１０７が有する剥離性とは、マスター回折格子１００に対する金属薄膜１０７の接着力が、接着剤としての永久レジスト２１２と金属薄膜１０７との接着力よりも弱いことを意味している。このような条件を満たす金属薄膜１０７であれば、金に限らず、他の各種材料を用いて金属薄膜１０７を形成することが可能である。

ここで、上記のようなレプリカ回折格子２１０を用いて行った耐熱性の検証結果について説明する。この検証においては、接着剤として永久レジスト２１２を用いたレプリカ回折格子２１０と、接着剤として熱硬化型エポキシ樹脂を用いたレプリカ回折格子とを準備し、それらを恒温槽で６０℃から１０℃ずつ温度を上昇させながら加熱した。

その結果、熱硬化型エポキシ樹脂を用いたレプリカ回折格子については、９０℃で表面に凹凸が生じ、金属薄膜の白濁が確認された。これに対して、永久レジスト２１２を用いたレプリカ回折格子２１０については、外観に変化は確認されなかった。このような結果は、１００℃においても同様であった。これらの検証結果からも、基板表面に永久レジストを介して金属薄膜が形成された回折格子は、耐久性（特に耐熱性）が高いことが分かる。

上記実施形態では、平面上に格子パターンが形成された平面回折格子について説明したが、本発明は、平面回折格子に限らず、凹湾曲面上に格子パターンが形成された凹面回折格子などにも適用可能である。

以上のような態様で製作されたレプリカ回折格子は、耐熱性が高い材料のみを用いて構成することができるため、高温環境下においても長期間にわたって使用することができる。したがって、例えばハイパワーレーザ装置などにも、本発明に係るレプリカ回折格子を好適に用いることができる。ただし、本発明に係るレプリカ回折格子は、このようなハイパワーレーザ装置に限らず、他の各種レーザ機器に適用することができるだけでなく、光通信機器又は分光分析機器などのあらゆる装置に適用可能である。

１００ マスター回折格子
１０１ マスター基板
１０２ フォトレジスト層
１０３ 格子パターン
１０４ 金属薄膜
１０５ 離型剤層
１０６ 金属薄膜
１０７ 金属薄膜
１１０ 永久レジスト層
２００ レプリカ回折格子
２０１ レプリカ基板
２０２ 永久レジスト
２１０ レプリカ回折格子
２１１ レプリカ基板
２１２ 永久レジスト

Claims (6)

1. レプリカ基板の基板表面に接着剤層を介して形成された金属薄膜を備えたレプリカ回折格子であって、
   前記接着剤層が永久レジストであることを特徴とするレプリカ回折格子。
2. 請求項１に記載のレプリカ回折格子の製造方法であって、
   前記レプリカ基板の基板表面に永久レジストを接着剤として塗布した後、当該永久レジストを介して、マスター回折格子から前記レプリカ基板に金属薄膜を転写させることにより、前記基板表面と前記金属薄膜との間に、永久レジストを介在させることを特徴とするレプリカ回折格子の製造方法。
3. 前記マスター回折格子の表面に離型剤層を介して形成された金属薄膜に対して、前記レプリカ基板の基板表面に塗布された永久レジストを密着させ、当該永久レジストを硬化させた後、前記離型剤層において剥離させて、前記マスター回折格子から前記レプリカ基板に前記金属薄膜を転写させることを特徴とする請求項２に記載のレプリカ回折格子の製造方法。
4. 前記マスター回折格子の表面に形成された剥離性を有する金属薄膜に対して、前記レプリカ基板の基板表面に塗布された永久レジストを密着させ、当該永久レジストを硬化させた後、前記金属薄膜の表面において剥離させて、前記マスター回折格子から前記レプリカ基板に前記金属薄膜を転写させることを特徴とする請求項２に記載のレプリカ回折格子の製造方法。
5. 前記マスター回折格子は、マスター基板の基板表面に永久レジストを介して金属薄膜が形成されることにより構成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のレプリカ回折格子の製造方法。
6. 前記レプリカ基板の両面が光沢面により形成されており、一方の基板表面と前記金属薄膜との間に、永久レジストを介在させることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のレプリカ回折格子の製造方法。

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